Under 2014, W. E. Moerner, Harry S. Mosher professor i kemi vid Stanford University, vann Nobelpriset i kemi för att ha utvecklat ett sätt att avbilda former inuti celler med mycket hög upplösning, kallas superupplöst mikroskopi. Nu, han och hans laboratorium har skapat ett nytt mikroskop som producerar 3D-bilder i nanoskala av däggdjursceller i sin helhet.

"En cell har en hel stad med proteiner, enzymer och strukturer som fungerar hela tiden, "Moerner sa." Vi har en uppfattning om vad som finns i en cell - många av oss är bekanta med ritningar av mitokondrier eller av det endoplasmatiska retikulumet - men det är en genomsnittlig idé. När vi tittar på enskilda celler, vi inser att de inte alla är exakt som bilderna vi har i läroböcker. "

Moerner -labbet blandar kemi, fysik, optik och teknik för att skapa bättre sätt att kika inuti celler för att se hur enskilda molekyler fungerar. Samarbetar med många andra laboratorier, gruppen fokuserar på biologiska ämnen, såsom att mäta strukturerna hos proteinfibrer relaterade till Huntingtons sjukdom, observera organisationen av enskilda strängar av DNA i kärnan och dokumentera strukturella förändringar i celler under medicinska behandlingar.

Pannkakor och magi

Det nya mikroskopet, som forskarna kallar TILT3D och som nyligen beskrevs i ett papper publicerat i Naturkommunikation , kombinerar två nya bildtekniker med superupplöst mikroskopi för att fånga mycket tydliga 3D-bilder av strukturer och enskilda molekyler i en cell.

En av de två nya teknikerna, känd som lutande ljusarkbelysning, adresserar problem med fokus och funktionalitet som uppstår med befintliga belysningstekniker. I de flesta ljusmikroskop, cellprovet tänds underifrån.

"Detta är ett problem om du vill undersöka detaljerna i en cell eftersom det leder till visuellt disiga bilder där endast vissa delar är i fokus - som ett foto taget över en lång sträcka, sa Anna-Karin Gustavsson, en postdoktor i Moerner -labbet och huvudförfattare till tidningen.

Standardbelysning av ljusark tar sig runt detta problem genom att bara lysa in en skiva ljus från sidan för att få en pannkakeliknande belysning av provet. Även med denna fördel, om du försöker få ett ljust ark att lysa längst ner i en cell, det studsar från hörnet av kammaren som innehåller provet, som snedvrider bilden. Genom att luta ljusarket, Moerner -labbet undviker att träffa hörnet.

Förutom att rensa det visuella röran genom att luta ljusarket, det nya mikroskopet innehåller en optisk metod för avbildning i 3D. För att uppnå detta, forskarna märker molekyler i cellprovet med kemikalier som fluorescerar när de tänds och använder kemiska tillsatser för att få dem att blinka starkt. Sedan, genom vad Moerner kallar "optisk magi, "gruppen justerar mikroskopet för att omvandla varje fluorescerande blink till två ljuspunkter i olika vinklar. Med dessa två fläckar, forskarna kan få positionen för varje molekyl i tre dimensioner, som informerar den sista 3D-bilden.

Stapla sina pannkakade 3-D-bilder ovanpå varandra, forskarna kan skapa en topp-till-botten rekonstruktion av en cell. Vinklad ljusarkavbildning gör det också möjligt att spåra molekylernas 3D-rörelse över tid med en precision på tiotals nanometer, som skulle kunna fånga molekylbindningar, rör sig med motorer eller färdas slumpmässigt genom cellens strukturer.

Genom att kombinera TILT3D:s tydliga bild och 3D-funktioner med befintliga superupplösningstekniker, Mikroskopet kan skapa exakta bilder med superupplösning-så små som tiotals nanometer eller cirka 4, 000 gånger mindre än ett människohår är tjockt. Detta öppnar nya möjligheter att producera detaljerade 3D-bilder av däggdjurscellstrukturer, även de som tidigare var för täta för att tydligt kunna avbilda.

Redo att dela

Som en del av deras papper, Moerner och hans labbmedlemmar testade framgångsrikt sitt mikroskop på kända cellulära strukturer. De går redan andra laboratorier genom att kopiera detta mikroskop. Designen kan vara ett modulärt tillägg till befintliga ljusmikroskop. I framtiden, de hoppas att deras 3-D lutande ljusarkbelysning kommer att användas för ett antal projekt.

"TILT3D är enklare än andra mikroskop som har utformats för avbildning av dessa utmanande prover, och den kan användas för avbildning av både statiska strukturer och rörliga molekyler, säger Gustavsson, som delvis stöds av en postdoktorat från Karolinska Institutet i Sverige. "Vi utformade den för att vara mångsidig, inte bunden till en specifik fråga. "

Forskarna kommer att fortsätta arbeta med TILT3D, särskilt på att kombinera statisk och dynamisk information från flera olika proteiner. Förutom deras många andra innovationer och studier inom cellulär bildbehandling, de hoppas att denna teknik kan göra det möjligt för dem och andra att lära sig mer om cellstrukturer och processer, en molekyl i taget.